相關產品：MFLI 

背景介紹

痕量氣體檢測普遍存在，例如檢測臭氧，乙炔，氮氧化物，甲烷等相關氣體濃度時。在呼吸診斷、生命科學、工業過程控制分析、火災預警、燃燒診斷、電氣安全檢測，以及爆炸物的檢測等方面均有著廣泛地應用。

20世紀的光聲光譜技術(PAS)檢測，奠定了后續利用光聲光譜技術測量氣體濃度的基本原理，將受周期性調制的激光照射待測氣體，氣體受激輻射到高能態上，通過無輻射躍遷返回基態并且釋放熱能，導致氣體局部溫度周期性變化，產生周期性變化的聲壓，也就是聲波。聲壓的信號強度與氣體濃度有關，使用聲探測器接收產生的聲信號，根據其反饋信號就可以反演氣體的濃度。一開始選用的聲探測器是麥克風。進入21世紀，科學家利用半導體器件的石英音叉，放在氣室里當作聲探測器，這項技術就是石英增強光聲光譜技術（QEPAS）。對比麥克風，石英音叉具有體積小、品質因數高、價格低廉等優點，因其超窄的帶寬有效降低噪聲的耦合功率。實現了更低氣體濃度的探測。雖然對比PAS，已經具有不少優點，但是由于石英音叉放置在氣室內，如果氣體是腐蝕性氣體，那么對于石英音叉的連續工作會帶來不良影響，所以利用光致熱彈效應，將石英音叉放在氣室外面，激光穿過氣室并照在音叉上，石英音叉部分吸收的激光轉化為熱能，從而導致石英音叉熱彈性膨脹。如果激光受到調制，則上述熱彈性膨脹引起石英音叉的機械振動。基于壓電效應，光熱彈性轉換引起的振動在石英音叉表面產生壓電電荷，最終轉換為壓電電流信號。探測電流信號的二次諧波分量，反演得到氣體室的氣體密度信息。這項技術就是光致熱彈性光譜技術（LITES）。

在發展LITES技術的時候，由于傳統的LITES是用壓電電流測量，在連接電纜的時候有可能會產生電火花，如果氣室內的氣體是易燃氣體，那么會有燃燒的風險。所以在原先的基礎上提出了一種利用光學方法解調，全光學的LITES技術。并且在LITES系統易受激光功率和波長變化造成測試結果不穩定的缺點上，科學家們在抗干擾，提高氣體檢測靈敏度上做出了一些有意義的改進。

相關原理

DFB分布式反饋激光器

LITES使用的激光光源是DFB分布式反饋激光器，根據注入的電流大小會改變光柵的折射率，從而達到改變波長的效果。因為其優秀的波長調節精度，所以用在LITES這種需要對激光波長進行變化掃描的實驗上。

石英音叉

石英音叉是一種利用石英晶體壓電效應制成的機械諧振元件，具有體積小、價格低、品質因數高等優點。由于其振動特點，只有在兩臂對稱震動時才會產生正確的壓電信號。而環境噪聲只會讓兩臂產生同向震動，因此石英音叉具有抗干擾能力強的特點。商用石英音叉（QTF）共振頻率一般在32767Hz，品質因數Q在10000左右，意味著共振頻率的帶寬在3Hz左右。

圖1.石英音叉實物圖

圖2.石英音叉頻譜圖

F-P腔

FP腔是一種基于多光束干涉的光學諧振腔，由兩個平行的高反射鏡（或部分反射鏡）構成，廣泛應用于激光器、光譜學、濾波器和精密測量等領域。

根據波長和腔長的關系，可以根據反射光的干涉強度來判斷波長變化，或者腔長變化。在LITES中是用光纖端面和QTF側壁組成腔壁，讓激光不斷在腔內反射達到檢測石英音叉震動所引起的腔長改變的效果。

信號機理

圖3.壓電信號LITES系統框圖

傳統的LITES是利用QTF的壓電電流信號來探測氣體濃度的。根據石英音叉的共振頻率，我們利用波形發生器生成頻率是QTF共振頻率的一半的正弦波信號并且同時產生慢頻率的鋸齒波電流以對整個實驗所需要的波長范圍進行掃描并調制。激光的頻率就以正弦波的頻率開始變化了。該激光經過氣室，照射到石英音叉底部。激光調制頻率的二次諧波，利用音叉的光致熱彈效應使音叉產生頻率一致的機械震動和壓電電流，得到選頻放大。該電流通過電流放大器變成電壓信號并用鎖相解調得到最終的二次諧波信號。通過反演該諧波信號，就可以得到氣體室內部待測氣體的濃度信息。一次諧波的頻率由于和音叉的共振頻率不符，而且根據信號的理論分析也不包含濃度信息，所以一般是作為提高實驗抗干擾和檢測精度的輔助信號。

試驗裝置

圖4.WMS-2f/1f試驗系統框圖

哈爾濱工業大學的研究團隊提出了一種基于歸一化諧波解調的全光學抗干擾光致熱彈性光譜氣體傳感器。該傳感器采用法布里-珀羅（F-P）腔技術解調石英音叉（QTF）振動，替代了傳統LITES傳感器中的壓電信號測量。通過應用第二諧波歸一化第一諧波（WMS-2f/1f）解調方法，解決了F-P檢測中由于環境干擾導致的不穩定性問題。實驗驗證了該傳感器對乙炔（C2H2）的檢測性能，顯示出優異的抗干擾能力和長期穩定性，比傳統的2f解調方法穩定性提高了60倍以上。

將壓電信號進行解調的過程替換成光學解調是利用QTF機械震動的特點，使F-P腔長也產生同頻的周期性變化，用一個不經過調制的探測激光打在F-P腔長上，使得反射回來的探測光和干涉光疊加，最終將PD探測到的光強的變化頻率與我們調制激光器的調制頻率一致，利用鎖相即可進行相關信號的解調。

圖5.WMS-2f/1f信號系統框圖

在該系統中，哈爾濱工業大學的研究團隊利用LITES的一次諧波包含激光光強和光強與LITES信號之間的轉換系數的特點，用QTF共振頻率，和QTF共振頻率的一半頻率的正弦波一起調制激光器，即多頻調制，在經過F-P腔光學解調后，可以得到兩個同頻但是不同相的信號，一個是1f一次諧波信號，包含激光光強和光強與LITES信 號之間的轉換系數；另外一個是2f二次諧波信號，包含氣體室內部氣體濃度，激光光強和光強與LITES信號之間的轉換系數等信息。將2f除1f，就可以將跟激光波長和功率，F-P腔長度的不穩定，帶來的最終測試信號的不穩定抵消掉。形成自動抗干擾的測試系統。

在使用鎖相放大器的過程中，首先需要將2f和1f信號分別輸入到鎖相放大器中。鎖相放大器通過內部的混頻器和低通濾波器，將這兩個信號進行相位敏感檢測，從而提取出與氣體濃度相關的信號。具體操作包括：

1. **信號輸入**：將傳感器輸出的2f和1f信號分別連接到鎖相放大器的兩個輸入端。

2. **頻率設置**：根據QTF的共振頻率，設置鎖相放大器的參考頻率，使其與信號的頻率同步。

3. **相位調整**：通過調整鎖相放大器的相位，使2f和1f信號在鎖相放大器中實現最佳相位差。

4. **信號解調**：鎖相放大器將2f和1f信號進行除法運算，得到2f/1f信號，并輸出該信號。

5. **數據分析**：通過分析2f/1f信號的峰值，反推出氣體的濃度。

蘇黎世鎖相的優勢

傳統鎖相放大器由于只有一個鎖相單元，所以無法在一臺鎖相上同時進行1f和2f兩路信號解調，需要用兩臺鎖相放大器進行并聯操作。但是蘇黎世鎖相依靠其卓越的硬件性能，可實現一臺鎖相多個解調單元同時解調。機器內部包含多個振蕩器，能同時輸出抗干擾LITES系統所需要的兩個激勵頻率。

并且在進行LITES之前一般要對所使用的石英音叉進行共振峰的測試，以驗證石英音叉的電學性能。蘇黎世儀器的控制軟件Labone提供掃頻模塊，自動改變激勵石英音叉的信號頻率，快速準確的得到共振峰測試圖，并且直接進行洛倫茲函數擬合等相關數學運算得到品質因子，共振中心頻率等參數。

圖6.利用掃頻模塊測試共振峰

相關產品優勢

圖7.MFLI

• DC - 500KHz/5Mhz 16-bit 電流電壓輸入

• 可以同時進行4個頻率解調（需要MF-MD 選件）

• 高達4路PID和PLL鎖相環 (需要MF-PID選件)

• 短時間常數：337ns到83s

• 支持 Python, MATLAB, LabVIEW, C, .NET，API 程序

參考文獻

Ziting Lang, Member, IEEE, Shunda Qiao, Ying He, and Yufei Ma.All-optical anti-interference light-induced thermoelastic spectroscopy gas sensor based on normalized harmonic demodulation.IEEE SENSORS JOURNAL.

代佳亮,劉秀玲.光致熱彈光譜氣體檢測技術研究進展.中國光學第16卷第2期

胡寅秋.基于石英音叉增強光聲光譜-光致熱彈光譜技術的痕量氣體檢測.全國優秀碩士論文庫